華自科技股份有限公司的研究人員周清平，在2018年第9期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，在電力系統(tǒng)尤其是輸配電領(lǐng)域，高壓成套開關(guān)設(shè)備起著能量傳輸及分配的關(guān)鍵性作用，其運(yùn)行穩(wěn)定性及使用可靠性關(guān)系著整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)及終端用戶安全，也一直是人們關(guān)注和研究的課題。

高壓開關(guān)設(shè)備也一直在不斷的創(chuàng)新與改進(jìn)，但目前“五防”安全問(wèn)題仍然存在。分析了當(dāng)前高壓成套設(shè)備發(fā)展的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，提出了基于PLC集控系統(tǒng)的監(jiān)控策略，實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)設(shè)備的智能化，徹底有效地解決設(shè)備操作檢修安全隱患，并實(shí)現(xiàn)一鍵式智能送電投運(yùn)與停電檢修的功能。結(jié)果表明，此系統(tǒng)理論的研究與應(yīng)用對(duì)終端設(shè)備用電安全及建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)具有重要意義。

當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，用電規(guī)模不斷增大，電網(wǎng)[1]架構(gòu)也愈來(lái)愈復(fù)雜，其安全與穩(wěn)定性關(guān)系著國(guó)計(jì)民生，而電網(wǎng)中作為電能輸送與控制的關(guān)鍵部件高壓成套設(shè)備，無(wú)論是其結(jié)構(gòu)的合理性、功能的完備性，還是操作維護(hù)的安全性，運(yùn)行的可靠性皆對(duì)電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)穩(wěn)定及終端用戶的用電安全形成較大影響。

在追求防護(hù)的安全性同時(shí)，人們也要求操作與維護(hù)上的便捷性，高壓成套設(shè)備由此日益革新，外形越來(lái)越小，防護(hù)功能越來(lái)越強(qiáng)大，操控性也更好。過(guò)去固定式安裝與維護(hù)的部件，改進(jìn)為移動(dòng)手車式安裝與維護(hù)，操作更加方便，然而這是以損失防護(hù)的堅(jiān)固性作為代價(jià)的。

本文論述的是基于PLC集控系統(tǒng)的高壓成套設(shè)備的智能化[2]的研究，不僅能從根本上解決操作維護(hù)的安全防護(hù)性問(wèn)題，而且能極大提升開關(guān)設(shè)備操控的便捷性及智能化程度，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

1 高壓成套設(shè)備的重要性及發(fā)展?fàn)顩r

1.1 高壓設(shè)備應(yīng)用的重要性

在電力輸配電[3]網(wǎng)絡(luò)中，為加大傳輸能力、減少線路損失，一般是采取升高電壓以高等級(jí)電壓進(jìn)行電能傳輸，至用戶終端時(shí)再經(jīng)過(guò)變壓降低電壓等級(jí)。作為電能控制與分配的關(guān)鍵部件高壓成套設(shè)備，其可靠操作及安全運(yùn)行，關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)甚至用戶終端的運(yùn)行穩(wěn)定。電力成套控制設(shè)備在研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造及運(yùn)行維護(hù)等各環(huán)節(jié)首要考慮的問(wèn)題就是“五防”操作安全，既要保證設(shè)備的穩(wěn)定可靠，更要保障人身安全。

為滿足“五防”功能要求以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，目前中高壓[4]開關(guān)成套設(shè)備在合閘操作、正常運(yùn)行、停電檢修及故障跳閘等各環(huán)節(jié)皆須進(jìn)行安全功能布置及防護(hù)設(shè)計(jì)。設(shè)備內(nèi)配置真空斷路器[5]能在電網(wǎng)系統(tǒng)或控制裝置發(fā)生故障情況下快速分?jǐn)啵曳謹(jǐn)嗄芰Υ?；為保證設(shè)備可靠分?jǐn)嗉巴ｋ姍z修安全，要求在斷路器上樁頭帶電側(cè)加裝隔離開關(guān)裝置，并通過(guò)外部觀察窗清晰觀察到隔離開關(guān)樁頭的分?jǐn)酄顟B(tài)；接地開關(guān)裝置在停電檢修時(shí)閉合，保證開關(guān)設(shè)備可靠接地及儲(chǔ)能終端負(fù)載的及時(shí)放電；柜門的開啟與關(guān)閉同時(shí)應(yīng)與隔離裝置、斷路器裝置及接地裝置等實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)與互鎖。

1.2 當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r

隨著人們對(duì)電力控制設(shè)備的操作與控制要求不斷提高，除了要滿足安全防護(hù)要求外，還需要操作的快捷與便利性。過(guò)去以固定式安裝方式為主體的隔離裝置、斷路器分?jǐn)嘌b置等重要一次設(shè)備，在安裝、更換、檢修維護(hù)時(shí)非常不方便，不但花費(fèi)大量的人力物力，而且因狹窄的操作空間存在較大的安全隱患。

經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)改進(jìn)及產(chǎn)品升級(jí)，目前實(shí)現(xiàn)了斷路器裝置的手車移動(dòng)式裝配，不再需要固定式安裝，斷路器依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作或檢修要求，隨時(shí)可方便移出部件，而且相同規(guī)格的裝置具有完全的互換性，極大地方便了成套設(shè)備的檢修與維護(hù)。

高壓成套設(shè)備除了實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件手車式安裝外，柜體的小型化也成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)采用優(yōu)良的絕緣材料或其他復(fù)合絕緣方式，達(dá)到了縮小總設(shè)備外形尺寸及內(nèi)部空間的目的。開關(guān)設(shè)備的小型化改進(jìn)，既可以實(shí)現(xiàn)減少設(shè)備的占地面積，又可降低設(shè)備的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部材料成本。

2 日常操作維護(hù)中存在的問(wèn)題

手車式高壓成套設(shè)備的操作控制不同于普通電動(dòng)機(jī)起?；芈返目刂品绞剑瑸闈M足高壓設(shè)備的“五防”功能要求，斷路器分?jǐn)嘌b置在合閘送電、停電檢修過(guò)程中，必須與隔離、接地裝置及防護(hù)柜門聯(lián)動(dòng)。設(shè)備合閘送電一般程序?yàn)椋孩訇P(guān)閉防護(hù)門；②分?jǐn)嘟拥匮b置；③手車隔離裝置遙進(jìn)到工作位置；④斷路器儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能；⑤斷路器裝置合閘。設(shè)備停電檢修一般程序?yàn)椋孩贁嗦菲餮b置分閘；②手車隔離裝置退出到試驗(yàn)位置；③接地裝置閉合；④開啟防護(hù)門。

移開式手車成套設(shè)備在操作維護(hù)便捷性方面不斷創(chuàng)新的同時(shí)，也帶來(lái)了設(shè)備使用時(shí)的不安全性及維護(hù)時(shí)的事故隱患。真空斷路器、接觸器[6]、負(fù)荷開關(guān)等手車式安裝，具備隔離功能，但要求手車設(shè)備與底盤車具備可靠的互鎖功能，同時(shí)要求與接地開關(guān)裝置、防護(hù)柜門進(jìn)行聯(lián)鎖。

為達(dá)到安全互鎖的要求，過(guò)去采用的連桿、鎖板、鋼絲繩等硬聯(lián)接機(jī)構(gòu)，逐步被程序鎖、電磁鎖等半機(jī)械半電氣聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)所取代，機(jī)構(gòu)硬度明顯減弱，它能滿足正常的程序動(dòng)作及互鎖，但若外部力量參與機(jī)構(gòu)操控（如值班維護(hù)人員手動(dòng)進(jìn)行隔離、接地等分合閘操作），遇操控力度把握不當(dāng)或流程錯(cuò)誤情況下野蠻操作，則極易造成聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)受損，從而使聯(lián)鎖失效。

3 基于集控系統(tǒng)的成套設(shè)備智能化

在現(xiàn)有手車式開關(guān)成套開關(guān)柜[7]的基礎(chǔ)上，利用當(dāng)今先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)、高級(jí)測(cè)量技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)，采用集中控制思想，實(shí)現(xiàn)成套設(shè)備的智能化，而且能有效解決設(shè)備常規(guī)與手動(dòng)控制存在的問(wèn)題。

3.1 系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖

基干集控系統(tǒng)的成套開關(guān)設(shè)備智能化，即智能集控開關(guān)成套設(shè)備，不同于常規(guī)設(shè)備的信號(hào)檢測(cè)，除了具備電量運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備過(guò)程狀態(tài)、故障預(yù)警信號(hào)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，還能對(duì)采集到的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷及處理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)關(guān)鍵部件或裝置的自主調(diào)節(jié)與控制，同時(shí)能接受外部及上層系統(tǒng)控制指令。

3.2 主要功能

智能集控開關(guān)成套設(shè)備的功能主要包括電氣系統(tǒng)電量參數(shù)、柜內(nèi)溫濕度、母線及斷路器樁頭的溫度等模擬量的檢測(cè)，設(shè)備內(nèi)關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視，以及重要裝置的遙控等，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的不間斷在線監(jiān)測(cè)[8]、上傳數(shù)據(jù)的分析與處理、就地操控或遠(yuǎn)程遙控、故障預(yù)測(cè)與報(bào)警等功能，并可接受上層指令，達(dá)到集中監(jiān)控、遠(yuǎn)傳調(diào)度與無(wú)人值守的目的。

圖1 設(shè)備智能化控制圖

設(shè)備的模擬量檢測(cè)主要包含系統(tǒng)運(yùn)行電量參數(shù)以及設(shè)備使用環(huán)境狀況的監(jiān)測(cè)。開關(guān)設(shè)備投入使用過(guò)程中，監(jiān)測(cè)的電量參數(shù)包括系統(tǒng)相電壓、線電壓、線電流、零序電流、頻率、有功、無(wú)功、功率因素等。

對(duì)開關(guān)成套設(shè)備內(nèi)的隔離手車工作/試驗(yàn)位置、斷路器裝置的儲(chǔ)能/合閘/分閘狀態(tài)、接地裝置的合閘/分閘狀態(tài)、儀表室/斷路器室/電纜室等防護(hù)門的開啟/關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，全方位掌握設(shè)備內(nèi)關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀況。當(dāng)系統(tǒng)或設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，能通過(guò)對(duì)采集到的開關(guān)狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行判斷與分析，從而提前進(jìn)行故障的報(bào)警或提示。

通過(guò)前期的系統(tǒng)運(yùn)行模擬量參數(shù)及設(shè)備部件開關(guān)量參數(shù)的采集，成套設(shè)備集控系統(tǒng)進(jìn)行分析與處理，一方面可以在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行故障的預(yù)處理，避免事故的發(fā)生；另一方面可以接受外部及上層系統(tǒng)控制指令，進(jìn)行相關(guān)流程控制，實(shí)現(xiàn)一鍵式合閘送電及停電檢修操作。

3.3 一鍵式送電與檢修操控

1）一鍵式操控的作用

手車式開關(guān)成套設(shè)備實(shí)行系統(tǒng)智能集控后，不再要求人們分步驟按流程進(jìn)行隔離、分?jǐn)唷⒔拥氐仁謩?dòng)操作，而是一鍵實(shí)現(xiàn)分、合集控，不僅提升操作的簡(jiǎn)潔程度，而且能從根本上杜絕人為不當(dāng)操作造成的聯(lián)鎖失效問(wèn)題。

成套設(shè)備集控方法一鍵式操作既可靠地實(shí)現(xiàn)了高壓設(shè)備隔離、接地與分?jǐn)嘌b置之間的操作互鎖要求，同時(shí)又有效地解決了人為的誤操作及野蠻操作等問(wèn)題，特別是為手車式開關(guān)設(shè)備的自動(dòng)化[9]、智能化及遠(yuǎn)程控制奠定了基礎(chǔ)，降低了人工操作成本，避免了不必要的運(yùn)維事故產(chǎn)生，對(duì)于電力系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。

2）一鍵式操控的原理

手車移開式成套設(shè)備集控方法使操作過(guò)程極大簡(jiǎn)化，可實(shí)現(xiàn)一鍵式分合閘，避免了人為的誤操作以及裝置機(jī)械操作力度不當(dāng)或野蠻操作造成的“五防”失效。控制系統(tǒng)包括一套PLC主控制裝置及相應(yīng)的傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在接收到外部操作指令后，主控制器采集相應(yīng)元件狀態(tài)，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作控制隔離、接地或分?jǐn)嘌b置等。分合閘控制程序，使各機(jī)構(gòu)與元件之間相互配合，方便、安全、快捷地完成一整套功能組合指令。

考慮到移動(dòng)隔離手車執(zhí)行機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)定位以及機(jī)構(gòu)防堵轉(zhuǎn)功能，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制底盤手車移進(jìn)或退出的過(guò)程中，預(yù)設(shè)的限位開關(guān)定位手車的狀態(tài)位置。為防止運(yùn)行中因機(jī)構(gòu)卡死或限位失效，主控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行荷載，超過(guò)定值時(shí)即起動(dòng)保護(hù)，終止當(dāng)前操作，并執(zhí)行相反指令操作，或依據(jù)預(yù)設(shè)程序運(yùn)作。

集控系統(tǒng)主要包括：

（1）主控制器：PLC控制器。

（2）隔離裝置：真空斷路器底盤手車。

（3）分?jǐn)嘌b置：真空斷路器。

（4）接地裝置：檢修接地開關(guān)。

（5）防護(hù)柜門：斷路器室、電纜室及變壓器室防護(hù)柜門。

系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 集控系統(tǒng)框圖

3）分合閘操控流程

與成套設(shè)備常規(guī)控制方式相比，基于集控系統(tǒng)的智能化開關(guān)柜[10]將使開關(guān)設(shè)備的操作過(guò)程極大簡(jiǎn)化，控制安全及防護(hù)可靠，完全杜絕了人為誤操作存在的安全隱患，其控制流程包括準(zhǔn)備階段及合分閘操作過(guò)程。

操作前準(zhǔn)備階段：①成套開關(guān)設(shè)備控制電源合閘，分?jǐn)嘌b置手車就位，防護(hù)柜門關(guān)閉等；②主控制器通過(guò)位置、狀態(tài)傳感器采集底盤手車、分?jǐn)嘌b置、接地裝置及防護(hù)門位置與運(yùn)行狀態(tài)；③斷路器分?jǐn)嘌b置儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能。

設(shè)備合閘受電過(guò)程：①人工通過(guò)開關(guān)設(shè)備面板合閘按鈕或后臺(tái)系統(tǒng)給定合閘指令；②主控制器收到指令后，檢查各防護(hù)門的關(guān)閉狀況，若未關(guān)閉，則通過(guò)聲光不斷提示；③防護(hù)門關(guān)閉，主控制器判斷斷路器工作狀態(tài)，若已合閘，則對(duì)斷路器發(fā)出分閘指令；④斷路器分閘，主控制器判斷接地裝置工作狀態(tài)，若已合閘，則對(duì)接地裝置發(fā)出分閘指令；⑤接地裝置分閘，主控制器判斷底盤手車位置狀態(tài)，若未處于工作位置，則對(duì)手車執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出推進(jìn)指令；⑥底盤手車推進(jìn)到工作位置后，主控制器對(duì)斷路器發(fā)出合閘指令；⑦開關(guān)設(shè)備合閘受電過(guò)程完成。

設(shè)備分閘斷電過(guò)程：①人工通過(guò)開關(guān)設(shè)備面板分閘按鈕或后臺(tái)系統(tǒng)給定分閘指令；②主控制器收到指令后，判斷斷路器工作狀態(tài)，若已合閘，則對(duì)斷路器發(fā)出分閘指令；③斷路器分閘，主控制器判斷底盤手車位置狀態(tài)，若未處于試驗(yàn)位置，則對(duì)手車執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出退出指令；④底盤手車退出到試驗(yàn)位置后，主控制器對(duì)接地裝置發(fā)出合閘指令；⑤接地裝置合閘，防護(hù)柜門可開啟，設(shè)備處理檢修狀態(tài)；⑥開關(guān)設(shè)備分閘斷電過(guò)程完成。

結(jié)論

本文從高壓成套設(shè)備在電力系統(tǒng)中的重要性出發(fā)，闡述了設(shè)備當(dāng)前所作的各方面的改進(jìn)與提升，以及在實(shí)際運(yùn)行中存在的缺陷，有針對(duì)性地提出了基于集控系統(tǒng)的高壓成套設(shè)備的智能化，不僅有效解決目前設(shè)備存在的“五防”安全互鎖問(wèn)題，而且實(shí)現(xiàn)了智能化監(jiān)控，為智能變電站、智能電網(wǎng)的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。作為設(shè)備智能化中最重要的功能，本文重點(diǎn)論述了設(shè)備的“一鍵式操控”，徹底有效地解決了設(shè)備的運(yùn)行檢修操控難題。

然而，本文中基于集控系統(tǒng)的設(shè)備智能化理論是在集控系統(tǒng)穩(wěn)定性及傳輸時(shí)效性完全滿足要求的前提下提出的，實(shí)際應(yīng)用中電路及電子元件的性能還無(wú)法安全滿足要求，因此如何提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠及通信傳輸效率將是下一階段研究的方向與課題。